(57)【要約】  全測距データの帯域幅を直接評価するために、必要なナイキストレートよりも低いサンプリングレートを使用して目的の信号の検出が可能である、低コストの構成要素を使用して、アナログの測距データをリアルタイムに素早く変化させることにより、明確に高帯域を評価するための装置および関連する方法を開示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
既知の信号帯域幅内で生じる未知の時変信号を明確に特定するための方法であって、該方法は：
既知の信号帯域幅の少なくとも２倍に等しいレートよりも低いサンプリングレートで、既知の信号帯域幅をサンプリングする工程を含み、該方法はさらに：
未知の周波数ωＲＦを有する未知の信号を２つの等しい力の信号へと分割する工程と；
２つの分割信号の１つを既知の周波数ωＬＯ１を有する第１の信号とミキシングする工程と；
２つの分割信号の他方を既知の周波数ωＬＯ２を有する第２の信号とミキシングする工程と；
を含む、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
第１の既知の周波数ωＬＯ１は既知の信号帯域幅の少なくとも半分であり、第２の既知の周波数ωＬＯ２はωＬＯ１よりも高い、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ωＬＯ２とωＬＯ１との間の差は、既知の信号帯域幅内の未知の信号の最低の期待周波数である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
アナログ−デジタル変換器および位相同期回路の少なくとも１つを使用して、２つのミキシングされた信号の周波数を測定する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
水晶発振器、ＭＥＭＳ発振器、デジタル位相同期回路、および周波数シンセサイザの少なくとも１つ使用して、既知の周波数の信号を生成する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ωＲＦとωＬＯ１の合計である周波数の伝播を遮断するために第１のローパスフィルタを使用する工程と、ωＲＦとωＬＯ２の合計である周波数の伝播を遮断するために第２のローパスフィルタを使用する工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
既知の信号帯域幅内で生じる未知の時変信号を明確に特定するための電気信号検出装置であって、該電気信号検出装置は：
未知の周波数ωＲＦの信号を２つの等しい力の信号へと分割するのに適したスプリッターと；
少なくとも半分の既知の信号帯域幅である既知の周波数ωＬＯ１の電気信号を生成するように構成された第１の回路と；
ωＬＯ１よりも高い既知の周波数ωＬＯ２の電気信号を生成するように構成された第２の回路と；
未知の周波数ωＲＦを有する２つの分割信号の１つをωＬＯ１とミキシングするのに適した第１のミキサーと；
未知の周波数ωＲＦを有する２つの分割信号の他方をωＬＯ２とミキシングするのに適した第２のミキサーと；
第１のミキサーの出力に連結された第１のローパスフィルタと；
第２のミキサーの出力に連結された第２のローパスフィルタと；
を含むことを特徴とする電気信号検出装置。
【請求項８】
第１および第２のミキサーから出力される低域フィルタリングされる信号の周波数を測定するように構成された、アナログ−デジタル変換器と位相同期回路の少なくとも１つをさらに含む、請求項７に記載の電気信号検出装置。
【請求項９】
既知の周波数の信号を生成する回路は、水晶発振器、ＭＥＭＳ発振器、デジタル位相同期回路、および周波数シンセサイザの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の電気信号検出装置。
【請求項１０】
第１のミキサーの出力に連結されたローパスフィルタは、ωＲＦとωＬＯ１の合計である周波数の伝播を遮断するように構成され、かつ第２のミキサーの出力に連結されたローパスフィルタは、ωＲＦとωＬＯ２の合計である周波数の伝播を遮断するように構成される、請求項７に記載の電気信号検出装置。
【請求項１１】
距離測定の方法であって、該距離測定の方法は：
既知の帯域幅にわたって、既知の周波数変調レーザー光線を用いて離れた物体の表面を照らす工程と；
光検出器において、離れた物体の表面から反射した光と最初の照明光のいくつかの部分とをミキシングする工程と；
ミキシングされた光から既知の最大距離に依存する周波数帯域幅内の未知の周波数を有する、範囲でエンコードされたビート音を生成する工程と；
未知の周波数ωＲＦを有するビート信号を半分の等しい力へと分割すること；２つの分割信号の１つを既知の周波数ωＬＯ１を有する第１の信号とミキシングすること；および２つの分割信号の他方を既知の周波数ωＬＯ２を有する第２の信号とミキシングすること；によって範囲でエンコードされたビート音の周波数を明確に測定する工程と；
を含み、
ここで、第１の既知の周波数ωＬＯ１は既知の信号帯域幅の少なくとも１／２であり、かつ第２の既知の周波数ωＬＯ２はωＬＯ１よりも高く、
さらにここで、ωＬＯ２とωＬＯ１との間の差は、既知の信号帯域幅内の未知の信号の最低の期待周波数である、
ことを特徴とする距離測定の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願データ＞
本出願は、２０１６年１月２２日に出願された米国特許仮出願第６２２８６０２５号、および２０１６年１月２５日に出願された米国特許仮出願第６２／２８６６２４号に対する優先権を主張し、それらの発明特定事項は、その全体において本明細書で参照することにより組み込まれる。
【０００２】
＜政府出資＞
該当なし。
【背景技術】
【０００３】
本発明の態様および実施形態は、最も一般的には信号の検出および処理の分野である。より具体的には、態様と実施形態は、信号を検出および処理するための方法および装置を対象とし、最も具体的には、標準的な最小のサンプリングレートすなわちナイキストレートよりも低いサンプリングレートで、信号を検出および処理するための方法および装置と、特に高分解能レーザー距離測定を対象とするそれらのアプリケーションとを対象とする。
【０００４】
レーザー距離測定に関する最近のアプリケーションは、しばしば、広帯域変調を意味する、距離分解能で範囲を分解することができる距離を最大限にし；より短い時間でより多くのデータを取得するためにパルス持続時間を最小限にしようとしている。これらの要件の組み合わせは、結果として、距離分解能およびパルス持続時間に左右される、数十メートルの範囲にわたって１０ＧＨｚを超過し得る、測距データを処理するための帯域幅の要件の増加をもたらす。１ＧＨｚを超える速度でサンプリングすることができるシステムは非常に高価であり、かつ数ＧＨｚを超える速度でサンプリングすることができるシステムはすぐに実行不可能になる。具体化された発明は、広い帯域幅において信号を発見するためのサンプリングの要件を大幅に減らす。結果としてもたらされるシステムは、所定の性能レベルに対して著しく低いコストで、または所定のサンプリングシステムに対して大幅に改善された性能レベルで作ることができる。
【０００５】
安価な半導体レーザーダイオードを使用して、注入電流が具体的な方法で変調されるときにこれらのデバイスが受ける波長シフトを活用することによって、周波数を変調したパルス圧縮技術を使用する高分解能レーザー距離測定が達成され得る。結果としてもたらされる波長シフトは、場合によっては広帯域ＦＭチャープ；すなわち、しばしば数百ＴＨｚと測定される、レーザーダイオードの基本波長を中心とした数百ＭＨｚから数百ＧＨｚまでいかなる場所のレーザーの発光周波数における直線傾斜である。これらのレーザーダイオードが、デジタル通信モードにおいて数十ＧＨｚでパルス化されるように設計されるため、周波数のこの変化は、数ナノ秒もの狭いパルスで達成されうる。
【０００６】
線形周波数変調（ＬＦＭ）パルスの測距精度は、周波数の変化に比例し、すなわち、より高い精度のポイントの範囲を測定するには、周波数のより大きい変化を必要とする。簡易な線形ＦＭパルス圧縮の測距システムに対する距離分解能
【０００７】
【数１】
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（２つの同時の標的間で区別する能力、または単一の標的の距離分解能）は、以下の方程式から得られ：
【０００８】
【数２】
2019502925.tif 000004
式中、ｃは空気中の光の速度で、
【０００９】
【数３】
2019502925.tif 000005
はＬＦＭパルスの帯域幅である。例えば、ポイントを１メートル内の分解能まで分解するには、単に１５０ＭＨｚの
【００１０】
【数４】
2019502925.tif 000006
が必要である。しかしながら、１センチメートルの距離分解能が望ましい場合、そのとき１５ＧＨｚの
【００１１】
【数５】
2019502925.tif 000007
が必要とされる。リアルタイムキャプチャに適している現代の測距システムは、サブセンチメートル距離分解能（ｓｕｂ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒ ｒａｎｇｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を必要とし、さらに大きな
【００１２】
【数６】
2019502925.tif 000008
を必要とする。
【００１３】
ビート周波数Ｆｂと範囲Ｄとの関係は、以下のとおりであり：
【００１４】
【数７】
2019502925.tif 000009
式中
【００１５】
【数８】
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＝ＬＦＭパルスの帯域幅
であり、
【００１６】
【数９】
2019502925.tif 000011
はパルスの持続時間であり、Ｄは反射源までの距離であり、ｃは空気中の光の速度である。
【００１７】
電流注入型の変調方法上記を使用して比較的大きな
【００１８】
【数１０】
2019502925.tif 000012
を小さな
【００１９】
【数１１】
2019502925.tif 000013
で割ったものを得ることが望ましく、単刀直入である一方で、結果としてもたらされるビート周波数帯域幅も、
【００２０】
【数１２】
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が増大するにつれて増大する。
【００２１】
リアルタイムマッピング、自動車のセンシングアプリケーション、３Ｄビデオキャプチャ、およびそのた他を含む測距のアプリケーションは、一般に毎秒１５０万ピクセルを超える、高いピクセルレート（例えば６４０ｘ４８０ｐの５Ｈｚのリフレッシュレート）を必要とする。ピクセルレートがパルス時間
【００２２】
【数１３】
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に反比例するので、これらのアプリケーションは、ビート周波数帯域幅処理能力の範囲内で
【００２３】
【数１４】
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を最大化し、かつ
【００２４】
【数１５】
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割るＤの値を最大化しようとする。さらに、Ｄが増大するにつれ、他のすべてを一定に保ちながら、ビート周波数帯域幅もまた直線的に増大する。
【００２５】
例えば、５Ｈｚのリフレッシュレートで最大１０ｍまでの標的を測定することができる、１ｃｍの距離分解能で動作する６４０ｘ４８０走査ピクセルＦＭＣＷレーザー測距システムは、
【００２６】
【数１６】
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を必要とするだろう。結果としてもたらされるビート周波数帯域幅は最大１．５４ＧＨｚまで及ぶが、この帯域幅内でビート音（ｂｅａｔ ｔｏｎｅ）が生じていることを正確に見つけるために、ナイキストサンプリング基準に応じて３ＧＨｚを超過するレートでサンプリングすることができるサンプリングシステムの使用が必要だろう。１ＧＨｚを越えるサンプリングレートのアナログ−デジタル変換器チップでは数千ドルでなくとも数百ドルは要し、そのため、自動車のＬＩＤＡＲセンサーおよび消費者向け深度カメラなどの低コストシステム対して実際的ではなくなる。
【００２７】
さらに速い速度でサンプリングし比較的折よい方式で生成された大量のデータを処理するために既存のテクノロジーを使用することが可能である一方、そうすることは、より遅くサンプリングし、同じ時間内でより少ないデータを処理することよりも費用がかかる。より低い速度のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）か特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）などの集積回路（ＩＣ）におけるデジタル論理回路動作するほうが一般的には費用がかからないが、しかしより低速の回路では、与えられた時間においてより少ないデータしか処理されないことを意味する場合がある。生データがデジタル論理システムに入る際に、生データをサンプリングするために使用される回路（アナログ−デジタル変換器すなわちＡＤＣ）はまた、速く動作するほどより費用がかかり；さらに、ＡＤＣがアナログ信号をより速くサンプリングするほど、それによって生成される時間当たりのデータがより多くなり、このことが、回路によってデータが供給されるデジタル論理ＩＣの多くの費用に敏感な態様を引き起こす。
【００２８】
ここで議論されるように、これらの速度およびコストのトレードオフは、周波数変調パルス圧縮を使用する高分解能レーザー距離測定システムに対する直接的な関係を有する。処理ロジックをより遅く実行することは、全体としてのシステムの応答時間がより遅くなり、および／またはシステムが動作する距離をさらに限定することを意味しうる。しかしながら、高速サンプリングおよびＩＣ処理ロジックを伴うシステム性能を維持することに対する単純な取り組みは、コストを増大させる。
【００２９】
コストを最小化する間にシステムスループットと距離分解能などのキーとなる性能メトリクスを最適化することは、そのようなシステムのデザインにおいて効果的だろう。システム性能に影響を与えることのない、より低速でそれほど費用がかからないＡＤＣの使用を容易にする、アナログ−デジタルサンプリング技術およびＲＦダウンコンバージョン技術と組み合わせたとき、デジタル論理システムのキーとなる特性は、その目的のために利用されることもある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の態様は、既知の信号帯域幅内で生じる未知の時変信号を明確に特定するための方法である。非制限的な実施形態によれば、該方法は、既知の信号帯域幅の少なくとも２倍に等しいレートよりも低いサンプリングレートで、既知の信号帯域幅をサンプリングする工程を含み、該方法はさらに：未知の周波数ωＲＦを有する未知の信号を２つの等しい力の信号へと分割する工程と；２つの分割信号の１つを既知の周波数ωＬＯ１を有する第１の信号とミキシングする工程と；２つの分割信号の他方を既知の周波数ωＬＯ２を有する第２の信号とミキシングする工程と；を含む。様々な非制限的で典型的な実施形態では、方法は、単独で又は非制限的な組み合わせで、以下の工程、特徴、構成要素、制限事項、および／もしくは特色の一部または全て、ならびに／または当業者によって理解される変形を含むこともあり：
−ここで第１の既知の周波数ωＬＯ１は少なくとも半分の既知の信号帯域幅であり、第２の既知の周波数ωＬＯ２はωＬＯ１よりも高く；
−ここでωＬＯ２とωＬＯ１との間の差は、既知の信号帯域幅内の未知の信号の最低の期待周波数であり；該方法は：
−アナログ−デジタル変換器および位相同期回路の少なくとも１つを使用して２つのミキシングされた信号の周波数を測定する工程をさらに含み；−水晶発振器、ＭＥＭＳ発振器、デジタル位相同期回路、および周波数シンセサイザの少なくとも１つ使用して既知の周波数の信号を生成する工程をさらに含み；
−ωＲＦとωＬＯ１の合計である周波数の伝播を遮断するために第１のローパスフィルタを使用する工程と、ωＲＦとωＬＯ２の合計である周波数の伝播を遮断するために第２のローパスフィルタを使用する工程とをさらに含む。
【００３１】
本発明の態様は、既知の信号帯域幅内で生じる未知の時変信号を明確に特定するための電気信号検出装置である。非制限的な実施形態によれば、その装置は：未知の周波数ωＲＦの信号を２つの等しい力の信号へと分割するのに適したスプリッターと；少なくとも半分の既知の信号帯域幅である既知の周波数ωＬＯ１の電気信号を生成するように構成された第１の回路と；ωＬＯ１よりも高い既知の周波数ωＬＯ２の電気信号を生成するように構成された第２の回路と；未知の周波数ωＲＦを有する２つの分割信号の１つをωＬＯ１とミキシングするのに適した第１のミキサーと；未知の周波数ωＲＦを有する２つの分割信号の他方をωＬＯ２とミキシングするのに適した第２のミキサーと；第１のミキサーの出力に連結された第１のローパスフィルタと；第２のミキサーの出力に連結された第２のローパスフィルタと；を含む。様々な非制限的で典型的な実施形態では、該装置は、単独であるいは非制限的な組み合わせで以下の特徴、構成要素、制限事項、工程、および／もしくは特色の一部または全て、ならびに／または当業者によって理解される変形を含むことがあり、該装置は：
−第１および第２のミキサーから出力される低域フィルタリングされた信号の周波数を測定するように構成されたアナログ−デジタル変換器と位相同期回路の少なくとも１つをさらに含み；
−ここで、既知の周波数の信号を生成する回路は、水晶発振器、ＭＥＭＳ発振器、デジタル位相同期回路、および周波数シンセサイザの少なくとも１つを含み；
−ここで、第１のミキサーの出力に連結されたローパスフィルタは、ωＲＦとωＬＯ１の合計である周波数の伝播を遮断するように構成され、かつ第２のミキサーの出力に連結されたローパスフィルタは、ωＲＦとωＬＯ２の合計である周波数の伝播を遮断するように構成される。
【００３２】
本発明の態様はレーザー距離測定の方法である。非制限的な実施形態によれば、方法は、既知の帯域幅にわたって既知の周波数変調レーザー光線を用いて離れた物体の表面を照らす工程と；光検出器において離れた物体の表面から反射した光と最初の照明光のいくつかの部分とをミキシングする工程と；そのミキシングされた光からの既知の最大距離に依存する周波数帯域幅内の未知の周波数を有する、範囲でエンコードされたビート音を生成する工程と；距離でエンコードされたビート音の周波数を明確に測定する工程と；を含む。様々な非制限的で典型的な実施形態では、方法は、単独で又は非制限的な組み合わせで、以下の工程、特徴、構成要素、制限事項、および／もしくは特色の一部または全て、ならびに／または当業者によって理解される変形を含むこともあり：
−ここで、距離でエンコードされたビート音の周波数を明確に測定する工程は、さらに、未知の周波数ωＲＦを有するビート信号を半分の等しい力へと分割する工程と；２つの分割信号の１つを既知の周波数ωＬＯ１を有する第１の信号とミキシングする工程と；２つの分割信号の他方を既知の周波数ωＬＯ２を有する第２の信号とミキシングする工程と；を含み、ここで、第１の既知の周波数ωＬＯ１は、少なくとも半分の既知の信号帯域幅であり、第２の既知の周波数ωＬＯ２はωＬＯ１よりも高く、さらにここで、ωＬＯ２とωＬＯ１との間の差は、既知の信号帯域幅内の未知の信号の最低の期待周波数である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に記載の実施形態に従って、既知の信号帯域幅内で生じる未知の時変信号を明確に特定するための装置の略ブロック図である。
【図２】本発明の方法の実施形態のグラフ式の例示である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
＜本発明の非制限的で模範的な実施形態の詳細な説明＞
＜定義＞
＜サンプリング＞
サンプリングは、時間的に変化する連続信号（例えば、電磁波などのアナログ信号；光、無線通信等）を取り込み、離散時間の間隔Ｔで連続信号を測定することにより、それを離散時間信号（すなわちデジタル信号）へと変換するプロセスである。
【００３５】
＜帯域幅＞
目的の信号が存在する可能性がある周波数の連続的なセット。
【００３６】
＜ナイキストサンプリングレート＞
サンプルの離散シーケンスが有限帯域幅の連続時間信号（信号の様々な周波数成分の全て）内の情報の全てを捕らえるように、連続信号がサンプリングされる必要のある際の最低レート（１／Ｔ）。ナイキストの定理では、周波数であるＦの時間的に変化する連続信号内の情報の全てを捕らえて、その信号についての全てを知るためには、少なくとも２Ｆのレートでその信号の離散サンプルを取り込む必要があることが述べられている。代替的に、信号が既知の帯域幅Ｂ内で生じることがある場合、その信号を見つけるためには、２Ｂのレートでサンプリングする必要があり；例えば、目的の信号が１から１０ＭＨｚまで変動する１組の周波数内で無作為に生じることがある場合、そのときは、それによって生じる信号を見つけるために、＞２０ＭＨｚで信号をサンプリングする必要があるだろう。
【００３７】
＜エイリアシング＞
周波数Ｆの信号が２Ｆ未満のレートでサンプリングされるときに起こりうる信号の周波数の誤認。
【００３８】
＜ＲＦミキシング＞
周波数Ｆ１およびＦ２の２以上の時間的に変化する正弦波信号が、電子ミキサー内で組み合わせられるとき、ミキサーの出力は２つの分離信号を結果としてもたらし；１つは２つの原信号の合計Ｆ１＋Ｆ２の周波数で、一方は２つの原信号の差Ｆ２−Ｆ１である。
【００３９】
＜周波数ダウンコンバージョン（ヘテロダイン）＞
信号の周波数を減らすためにＲＦミキシングの現象を使用すること；すなわち、信号を最初は高い周波数Ｆｈｉｇｈと組み合わせ、それと既知のより低い周波数Ｆｍｉｘの信号とをミキシングすること。ミキシングされた出力は、フィルター処理され無視することができるＦｈｉｇｈ＋Ｆｍｉｘを結果として生じるが、Ｆｈｉｇｈ−Ｆｍｉｘは目的の信号になり、ここで、合成周波数Ｆｈｉｇｈ−Ｆｍｉｘは周波数Ｆｈｉｇｈより典型的にははるかに低く、したがって低レートでサンプリングされうる。
【００４０】
＜光ミキシング＞
光を使用するＲＦミキシングの類似物である。単一周波数のレーザーダイオードによって生成されたレーザー光線などの単色光は、単一の発光周波数（υ＝ｃ／λ）を有し；すなわち、レーザーが同じ周波数で発振することによって放出される全光子である。例えば、１３１０ｎＭの波長のレーザーは、〜２２９ＴＨｚの発光周波数を有する。異なる発光周波数Ｆ１およびＦ２の２つの単一周波数レーザーが、半導体光検出器の表面上で組み合わせられる場合、時間的に変化する正弦波電流は半導体内で生成される。２つの信号は、１つがＦ１＋Ｆ２の周波数を持ち、もう１つがＦ１−Ｆ２の周波数を持つ時間的に変化する正弦波電流の信号を作り上げる。例えば、１３１０ｎＭ（Ｆ１〜２２９ＴＨｚ）の波長を持ったレーザーの出力が、１３１０．１ｎＭ（Ｆ２＝２２８．９９ＴＨｚ）の発光波長を持ったレーザーの出力と組み合わされる場合、光検出器は、２２９−２２８．９９＝０．０１ＴＨｚ＝１０ＧＨｚの周波数の信号を出力するだろう。大部分の光検出器が１００ＧＨｚを越えて応答するのには十分に速くないため、２２９＋２２８．９９＝４５７．９９ＴＨｚの周波数を持つ第２信号は、検出器によって単にフィルター処理されるか、無視される。
【００４１】
＜ＦＭＣＷ（またはＬＦＭ）レーザー距離測定＞
光ミキシングの現象は、非常に速く正確な範囲／距離測定デバイスを製造するために使用することができる。単一周波数のレーザーダイオードは、経時的に、それらの注入電流を変調すること、および／またはそれらの温度を変えることにより、発光周波数をスイープするように作られうる。典型的には、レーザー発光周波数の直線で鋸歯状の変調が望ましい。周波数変調レーザー光線の一部で離れた物体を照らし、反射した光を本来の発光の一部と光検出器上で再び組み合わせることによって、干渉計が形成され、発光のポイントと照らされた物体との間の経路長が１つの分岐を形成し、別の分岐はシステム内の固定長の導波路から成る。正確で高速な距離の測定を可能にする、光検出器上の光ミキシングプロセスから生成された信号の周波数（ビート音としても既知）は、標的距離に比例する。走査ミラーを使用して、投影し、物体上のいくつかのポイントから反射したレーザー光線を収集することで、結果としてスキャンシステムから物体の表面の深度マップの作成がもたらされる。
【００４２】
デジタル論理の設計において、ＩＣ内で同時に作動しうる機能ブロックを増設することによって、高速のシステムとして、時間当たり同じ量またはより多くのデータを処理するためにより遅いデジタル論理システムを使用することは可能である。このように、アナログＲＦ範囲情報をサンプリングし、より遅いクロックレートで、デジタル論理内でこれらの複数のＡＤＣからより遅いデータストリームを全て同時に処理するために、複数のより低速のＡＤＣを使用することは可能である。高速のＡＤＣは高価であり；そのような高速デバイスの速度の５０％で作動するＡＤＣによって、５０％を超える節約ができる。複数のより遅いＡＤＣと接続する（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ことができるデジタル論理回路は、高速で接続することができる回路ほど高価ではない。しかしながら、信号をサンプリングするために複数のより遅いＡＤＣを使用する並列化は、電子的サンプリングサブシステム内で必要とされる構成要素の数を上昇させる。
【００４３】
本発明の典型的な実施形態によれば、ビート周波数検出法は、直接かつ明確にこの完全な帯域幅をサンプリングするために必要とされたナイキストサンプリングレートよりも低いサンプリングレートを使用して、サンプリングシステムが全ビート周波数帯域幅を評価できるようにする。言い換えれば、具体化された発明により、局部発振器の２つの既知の周波数であるＬＯ１、ＬＯ２を使用して、広い帯域幅内のいかなる場所にも生じることがあり、かつμ秒の時間スケールで変化する未知の周波数であるωＲＦを瞬間的に決定することができる。
【００４４】
サンプリングされた信号の最大周波数の少なくとも２倍に等しいサンプリングレートでいかなる離散時間サンプリングシステムも動作するに違いないことがよく知られている。言い換えれば、離散時間サンプリングシステムは、システムのサンプリングレートの半分を超えるいかなる入力周波数も明確に測定することができないだろう。例えば、最大のサンプリングレートが６００ＭＨｚである場合、ナイキスト周波数は３００ＭＨｚであり；すなわち、３００ＭＨｚを超える任意の信号の周波数を明確に測定することができない。
【００４５】
必要最小限のサンプリングレートを使用して、帯域幅Ｂ＝ｍａｘ（ωＲＦ）内で生じる周波数ωＲＦの未知の信号をサンプリングすることを試みるシステムは、ナイキストの定理によれば、サンプリングレート
【００４６】
【数１７】
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を使用することが必要であろう。しかしながら、レーザー測距アプリケーションでは、ωＲＦのために探索される帯域幅Ｂが非常に大きな（＞２ＧＳ／ｓが一般的）ωＳを必要とし、実施するのには経済的に実行不可能であることがしばしばある。したがって、いくつかの方法においてωＳを制限することが望ましいと思われる。ωＳ＝２ωＬＯであるように周波数ωＬＯを持った局部発振器を使用して、ヘテロダインダウンコンバージョンの動作を介してこれを成し遂げることは一般的な方法である。
【００４７】
ωＲＦ＜２ωＬＯと仮定した場合ωＲＦ〉ωＬＯである周波数を持った任意の信号は、ヘテロダイン処理の使用を通じて、ωＲＦ−ωＬＯである周波数を持った信号にダウンコンバートすることができることが、用意に理解されうる。周波数ωＲＦが、ヘテロダイン動作よりも前に既知でなくとも、ωＬＯが既知であるため、ダウンコンバージョンの後に測定することができる。知られているように、ミキシングプロセスは和周波数ωＲＦ＋ωＬＯも生成するが、この結果はωＲＦを常に超え、したがってダウンコンバージョン動作における小さな値であるので、通常、サンプリングよりも前にローパスフィルタ（ＬＰＦ）で除去される。さらに、入力信号の帯域制限に関するナイキストの定理の要件を前提として、ＬＰＦは、サンプリング段階より前の、ダウンコンバージョンに続く共通コンポーネントである。そのようなシステムのためのＬＰＦのための理にかなったカットオフは、ωＬＯが帯域幅を最大化するために選ばれるため、ωＬＯになり、ここでナイキストレートは２ωＬＯである。しかしながら、ωＲＦ＜ωＬＯである場合、ダウンコンバートされた結果は、最高でもＤＣであり、サンプリングシステムで可視なωＬＯ−ωＲＦのみを残すだろう。さらに、ダウンコンバージョンブロックのＬＰＦがωＬＯまたはそれより下の周波数を通すように設定される場合、（ωＲＦが未知であることに留意して）１つの結果のみがサンプリングシステムで絶えず可視であるので、ヘテロダイン結果が合計または差であるかは不明確であろう。
【００４８】
したがって、単一の局部発振器を用いて、それを周波数ωＬＯ＝ωＳ／２とミキシングすることにより、未知の信号ωＲＦをサンプリングすることを試みるシステムは、ωＲＦの絶対的な測定をなすことができないと考えられる。例えば、ωＬＯ＝１００ＭＨｚであり、かつωＲＦ＝５０ＭＨｚの場合、結果としてもたらされるミキシングされた生成物は１５０ＭＨｚおよび５０ＭＨｚになるだろう。１００ＭＨｚのＬＰＦにより、５０ＭＨｚの信号のみがサンプリングシステムで可視だろう。しかしながら、ＬＰＦ＝ωＬＯ＝１００ＭＨｚと仮定すると、５０ＭＨｚのミキシングされた生成物を生成することができる、ωＲＦのための２つの可能な周波数が存在する。ωＲＦ＝５０ＭＨｚである場合、ωＲＦ＋ωＬＯ＝１５０ＭＨｚであり、これはフィルター処理され、かつωＬＯ−ωＲＦ＝５０ＭＨｚであり、これはサンプリングシステムで可視であるが；ωＲＦ＝１５０ＭＨｚの場合は、その後ωＲＦ＋ωＬＯ＝２５０ＭＨｚであり、これはＬＰＦ＝ωＬＯ＝１００ＭＨｚでフィルター処理され、かつωＲＦ−ωＬＯは５０ＭＨｚでもある。したがって、サンプリングシステムによってωＲＦとωＬＯのミキシングされた生成物が単なる１つの周波数かどうかを知ることは不可能である。
【００４９】
具体化された発明によってこの曖昧性の問題を解決することが可能となるが、依然として、周波数ωＬＯ２＝ωＲＬＯ＋ωδを用いて第２の固定された局部発振器を組み込むことによってωＳ＜２ｍａｘ（ωＲＦ）を制限しており、ここでωδは、サンプリングシステムのＳＮＲと全体的なサンプリングレートとによって規定される、ここで、ωＳ＝２ωＬＯ２（ωδ＝サンプリングされることが望ましい最低周波数）である。
【実施例】
【００５０】
１．０ＧＨｚとする。
【００５１】
【数１８】
2019502925.tif 000020
を選択する。ωδを１００ＭＨｚ（すなわち目的の低い最低サンプリング周波数）とするので、ωＬＯ２は６００ＭＨｚとなる。システムのサンプリングレートωＳ＝２ωＬＯ２は、ここで、１．２ギガサンプル／ｓｅｃ（ＧＳ／ｓ）であり、したがって、１．２ ｘ ｍａｘ(ωＲＦ)およびナイキストレートの６０％のみが直接サンプリングするように要求される。
【００５２】
図１は、測定を行なうことに対する概略的にシステム（１００）を示す。システムは、未知の周波数ωＲＦの信号を２つの等しい力の信号ωＦ１、ωＦ２へと分割するための２方向スプリッター（ｔｗｏ−ｗａｙ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）（１０２）と、少なくとも半分の既知の信号帯域幅である既知の周波数ωＬＯ１の電気信号を生成するように構成された第１の回路（１０４−１）と、ωＬＯ１よりも高い既知の周波数ωＬＯ２の電気信号を生成するように構成された第２の回路（１０４−２）と、未知の周波数ωＲＦを有する２つの分割信号の１つをωＬＯ１とミキシングするのに適した第１のミキサー（１０６−１）と、未知の周波数ωＲＦを有する２つの分割信号の他方をωＬＯ２とミキシングするのに適した第２のミキサー（１０６−２）と、第１のミキサーの出力に連結された第１のローパスフィルタ（１０８−１）と、第２のミキサーの出力に連結された第２のローパスフィルタ（１０８−２）と、を含む。ミキサーはＭＥＭＳチップ、ＰＬＬベースのデジタルチップ、または他の適切な構成要素であってもよい。ローパスフィルタは和周波数ωＬＯ＋ωＲＦをフィルター処理する一方、差周波数ωＬＯ−ωＲＦを通す。デジタルサンプリングシステム（１１０）はデジタルである必要はなく、任意の適切な周波数測定構成要素（例えば位相同期回路）であってもよい。
【００５３】
図２に示されるモデルグラフごとに、０Ｈｚから１．０ＧＨｚの範囲におけるいかなる周波数ωＲＦも、サンプルレートωＳ＝１．２ＧＳ／ｓを用いて以下のように明確に測定することができる：
【００５４】
【数１９】
2019502925.tif 000021
【００５５】
周波数ωＲＦの測定は、ここで、任意の所定の時間で周波数ωβＬＯおよびωβＬＯ２を評価し、それらの相対振幅の比較することにより行われる。回路はωβＬＯおよびωβＬＯ２を測定するために使用され、したがってωＲＦの測定は、アナログ−デジタル変換回路、アナログ−デジタル変換回路と合わせた位相同期回路、または当業者によく知られている他のいかなる手段を含むこともある。
【００５６】
本発明の記載の文脈における（特に以下の特許請求の範囲の文脈における）用語「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」の使用、ならびに類似の引用は、本明細書において示される又は文脈によって明白に否定されない限り、単数と複数の両方を対象にするように解釈されるように意図される。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」は、特に断りのない限り、制限がない用語（すなわち「限定されないが、〜を含む」を意味する）として解釈される。用語「連結される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、干渉しているものが存在しても、部分的にあるいは完全に、含まれる（ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈｉｎ）、付けられる（ａｔｔａｃｈｅｄ ｔｏ）、またはともに接合される（ｊｏｉｎｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ）として解釈される。
【００５７】
本明細書における値の範囲の列挙は、本明細書において他に示されていない限り、単にその範囲内に属するそれぞれ別個の値を別々に参照する簡潔な方法として役立つことが意図され、それぞれ別個の値は、別々に本明細書において列挙されているかのように本明細書へと取り込まれる。
【００５８】
本明細書において記載される全ての方法は、本明細書において示されていない、または文脈によって明白に否定されていなければ、任意の適切な順序で行なうことができる。あらゆる例または本明細書において提供される典型的な言い回し（例えば「などの」）の使用は、単に本発明の実施形態を十分に例示するように意図され、他に請求されていない限り本発明の範囲に対して制限を課さない。本明細書における言い回しは、本発明の実行にとって不可欠なものとして、いかなる請求されていない要素を示すように解釈されるべきではない。
【００５９】
本発明は様々な変更や変化形態に影響されやすいが、それらの特定の実施形態は図面中に示されており、詳細に本明細書中に記載される。しかしながら、本発明は開示される特定の形態または方法に制限されないが、それとは反対に、本発明は付随する特許請求の範囲の精神および範囲内に属する全ての変更、等価物、および代替物を含むことが理解されるだろう。
【００６０】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更および変形をなすことができることが当業者に明らかであろう。したがって、本発明は、付随する特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内であれば、本発明の変更および変形を含むことが意図される。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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